淺談工業(yè)水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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引言

伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，各類化工廠區(qū)及污水處理的日益增多，水池是工業(yè)廠區(qū)及給排水工程中的重要構(gòu)筑物，在化工廠區(qū)的建設(shè)過程中，水池的土建造價(jià)占到全廠造價(jià)的30%左右，在污水處理或者凈水廠等給排水工程中，水池的投資更是高達(dá)整廠投資的70% ～80%，因此，如何既可以保證水池的結(jié)構(gòu)安全，又能使其造價(jià)控制在合理的范圍內(nèi)就顯得尤為重要。

1 水池的種類

在生產(chǎn)和使用中，水池的種類和用途多種多樣，其中鋼筋混凝土水池的應(yīng)用范圍最廣。鋼筋混凝土水池按照水池的位置可分為地下式、地上式水及半地下式水池;水池的形狀也分為多種:矩形、多邊形、圓形水池等;

2 水池作用荷載

在水池結(jié)構(gòu)計(jì)算時，水池頂蓋所承受的荷載一般包括頂板和梁格的自重、覆土自重及覆土以上的活荷載、雪荷載等等，在這些荷載中，頂板和梁格自重和覆土的自重荷載通常比較大，雪荷載和活荷載在計(jì)算時不同時考慮。

水池壁板所承受的荷載主要是水與土的作用力，土對壁板的側(cè)壓力采用朗肯主動土壓力計(jì)算，

主動土壓力系數(shù):

水對壁板的側(cè)壓力按三角形分布，池底處所受最大水壓力計(jì)算公式為;

壁板外側(cè)頂部所受側(cè)壓力計(jì)算公式為:

壁板外側(cè)底部所受側(cè)壓力計(jì)算公式為:

當(dāng)存在地下水作用時:

當(dāng)無地下水作用時:

圖1 水池的作用荷載

除了上述荷載之外，還有一些其他作用會對水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。由于水池的工藝要求、四季的變化以及混凝土在硬化時可能產(chǎn)生的水化熱等，會使水池的壁板發(fā)生伸縮。

3 水池的計(jì)算假定

對于水池的結(jié)構(gòu)計(jì)算，應(yīng)當(dāng)建立整體模型或者對池壁和底板分別進(jìn)行計(jì)算。在整體計(jì)算時，計(jì)算模型應(yīng)當(dāng)符合水土的實(shí)際作用效應(yīng)，在分別計(jì)算時，壁板和底板的邊界條件和計(jì)算假定也應(yīng)與實(shí)際情況相符合。

頂板和壁板的計(jì)算:對于有頂板的水池，水池頂板的算法與鋼筋混凝土肋梁屋蓋的算法相同;水池的壁板的內(nèi)力計(jì)算，應(yīng)當(dāng)根據(jù)壁板的長寬比以及邊界假定按《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中第6.1和6.2條的規(guī)定計(jì)算，對于圓形水池，應(yīng)當(dāng)按《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》的第6.2條的規(guī)定計(jì)算。計(jì)算中需要注意對頂板和壁板的不平衡彎矩進(jìn)行合理分配。開敞式水池池壁的邊界條件可假定為三邊固接、頂邊自由的板。有頂蓋的水池池壁，其邊界條件可視為三邊固接、頂邊鉸接。

底板的計(jì)算:在底板計(jì)算時，可假定底板是簡支于池壁，池壁的間距的不同影響著底板的地基反力，如圖2所示:當(dāng)水池的壁板間距很小，底板的變形與地基反力比較均勻(圖2a);當(dāng)水池壁板的間距逐漸增大，底板的變形與反力的不均勻分布會變得顯著(圖2b);甚至可能出現(xiàn)跨中出現(xiàn)較大負(fù)彎矩(圖2c)，圖2a情況可以假定地基反力為線性。

圖2 池壁的距離對池底反力的影響

分布，而圖2b和圖2c在計(jì)算時必須要考慮彎矩的變化作用。在實(shí)際工程中，考慮彎矩變化的算法非常復(fù)雜，對于簡單水池，一般用靜力平衡法計(jì)算底板的內(nèi)力:假定底板的地基反力的分布為線性分布，忽略變形協(xié)調(diào)的影響。

4 需注意的問題

水池抗浮:在抗浮設(shè)計(jì)時，應(yīng)根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》，結(jié)合地勘報(bào)告中的最高地下水位進(jìn)行驗(yàn)算。在計(jì)算中，當(dāng)驗(yàn)算水池的局部抗浮不滿足規(guī)范要求時，應(yīng)當(dāng)對水池的底板局部加厚以增加底板的重力或者設(shè)置抗拔樁。需要注意的是，在計(jì)算水池的整體抗浮時，無論是使用階段還是施工階段，都是按照池內(nèi)無水這一工況來進(jìn)行假定。但在實(shí)際工程中，在水池施工過程中一般會采用人工降低地下水或者在池內(nèi)充水等措施保證水池的穩(wěn)定;在水池的使用過程中，也只有在檢修等特殊條件下才會將水池的水抽干。所以，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)施工和使用的情況綜合考慮，確定一個合適的地下水位設(shè)計(jì)標(biāo)高，這樣既保證水池的結(jié)構(gòu)及抗浮安全，又能節(jié)省工程投資。

裂縫控制:在水池的使用過程中，由于溫度等應(yīng)力引起的變形受到約束，池體中有可能會產(chǎn)生溫度和濕度應(yīng)力，從而導(dǎo)致水池的開裂。因此在水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，水池的裂縫控制不可忽視。在設(shè)計(jì)時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)水池內(nèi)所盛介質(zhì)、地下水有無腐蝕等情況來確定池體的環(huán)境類別和池體的最大允許裂縫寬度。對于尺寸超過規(guī)范規(guī)定的水池，應(yīng)當(dāng)按照《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》的要求，合理的增加后澆帶，后澆帶可有效的消除部分混凝土前期收縮產(chǎn)生的當(dāng)量溫差，從而增大了構(gòu)筑物伸縮縫的允許間距。后澆帶的間距應(yīng)當(dāng)結(jié)合施工縫布置，并且能有效地削減溫度收縮應(yīng)力。

［1］CECS138：2002，給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程［s］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2002.

［2］陳載賦.鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)與特種手冊［M］.四川:四川科學(xué)技術(shù)出版社，1992.

［3］胡建強(qiáng).鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水池的設(shè)計(jì)與施工［J］.建材世界，2013(2).

［4］賈德成.鋼筋混凝土水池裂縫的控制［J］.遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(4).